【学术论文】基于轨道角动量的双频阵列天线的设计与分析

摘要:

随着通信技术的蓬勃发展,通信频带变得越来越拥挤。为了提升频谱效率和信道容量,基于轨道角动量的思想,以同轴馈电的贴片微带天线为阵元,设计了一种可以携带轨道角动量涡旋电磁波的双频微带阵列天线。HFSS的仿真结果表明,该天线的-10 dB带宽为11.37~22.77 GHz和25.06~31.71 GHz,可以产生多种模态值的OAM波束,而且各个模态的OAM波束具有良好的对称性和旋转性,并且在中心频率21 GHz和27 GHz能同时产生OAM涡旋电磁波。该系统在未来的移动通信(6G)具有广阔的应用前景。

中文引用格式: 张玲玲. 基于轨道角动量的双频阵列天线的设计与分析[J].电子技术应用,2019,45(11):68-71.
英文引用格式: Zhang Lingling. Design and analysis of dual-band array antenna based on orbital angular momentum[J]. Application of Electronic Technique,2019,45(11):68-71.

0 引言

随着无线通信中智能终端的快速发展和普及,通信容量逐渐遇到瓶颈(香农容量),OAM(Orbital Angular Momentum)就是突破这个瓶颈的方法之一。近年来有研究表明,携带轨道角动量的涡旋电磁波系统是一种非平面传播的波。携有轨道角动量(OAM)的电磁波具有ejlθ的螺旋相位结构,其中l是一个无界整数(OAM的模态值或拓扑荷数),θ是横向的方位角。因此,理论上OAM具有无穷多的状态且不同的OAM模态之间相互正交。携有轨道角动量(OAM)的电磁波不仅可以显著提高通信系统的频谱利用率和容量,而且OAM系统可以提供更高的数据传输速率和更高的信号安全性。把OAM当做新的调制自由度来缓解频谱资源与日俱增的压力,已成为无线通信领域的一个研究热点。
电磁波不仅能携带能量,还可以携带角动量,其中角动量又可以分为轨道角动量[1]及自旋角动量(Spin Angular Momentum,SAM),OAM指的是依赖于场分布的角动量。直到1992年,OAM才被ALLEN L发现[2]。随后,基于OAM在光学领域的研究逐渐展开。2007年,THIDE B等人证明均匀圆阵列可以产生携有轨道角动量的涡旋电磁波,并首次提出将OAM应用于无线通信的设想[3]。2011年,THIDE B等在意大利进行了OAM的第一次室外无线通信实验,采用螺旋抛物面天线产生了携有OAM(模态值为1)的涡旋电磁波,并用八木天线用作接收,证明了涡旋电磁波用于无线传输的可行性;在2012年他们进一步展开了电磁波的抗干扰性能验证实验,并且发现相位编码技术可以兼容OAM编码技术。2016年,周守利等使用圆形贴片的天线阵列产生了携有OAM的电磁波[4]。2019年,乔旭光等人提出了一种新型超带宽(UWB)高增益的双频段共口径天线[5],但是不属于双频OAM天线。迄今为止,能产生携有OAM涡旋电磁波的方法大致可分为如下4种:透射螺旋结构、透射光栅结构、反射螺旋面和相控阵列结构。几类OAM天线结构各有千秋,也有不足。透射光栅结构过多地依赖于计算全息法(Computer Generated Hologram,CGH),全6息板的制作复杂;透射螺旋结构产生涡旋电磁波的方式受特定波长的限制;反射螺旋面结构简单,然而产生的波束的方向性却不尽人意[6],单一尺寸的反射螺旋面结构只能一种OAM模式[7];相控阵天线结构简单,通过改变相邻阵元的相位差就可以实现不同OAM模态值的切换。近几年,产生OAM涡旋电磁波的热门的方法之一是相控微带阵列天线[8]。虽然人们已经研究了几种实现单模或多模的OAM波束的方法,但对双频OAM天线的研究却很少。如果基于OAM通信系统能够在两个频带上工作,则通信系统容量将会再上一个台阶。本文的研究目的就是希望能够填补这一空白。
目前利用均匀圆阵列产生OAM,阵列单元主要是矩形贴片和圆形贴片[9]。圆形贴片天线体积大,容易耦合。而矩形贴片具有天线体积小、成本相对其他天线低等优势,因此矩形贴片天线常常作为相控阵列天线的阵元。本文把矩形贴片天线作为阵元,在此基础上设计了一种相控阵列天线,使其可以工作在两个频段范围内,并且可以工作在较高的频率(21 GHz和27 GHz),以期能有效地提高频带利用率。

1 阵列天线结构设计

本文设计的相控阵列天线是由8个阵元(矩形微带贴片天线)绕圆心间隔45°均匀排列的,该阵列天线的结构如图1所示,其阵元的结构如图2所示。在设计之初,先通过相关的公式进行计算来得到阵元的一些参数值,其次再使用三维电磁仿真软件ANAYS HFSS(High Fre-

quency Structure Simulator)对天线的结构参数进行优化,该阵列天线用同轴线作为馈线,馈线的上表面连接的是矩形贴片,下表面连接的是导体贴片,介质采用FR4材料,其相对介电常数为4.4,金属地板采用pec材质。天线阵列尺寸见表1,其中,L0为辐射贴片的长度;W0为辐射贴片的宽度;L2为同轴馈电线馈点距原点的距离;H为介质板的厚度和同轴线的高度,同轴馈电线采用pec材料;L1为介质板的长度;W1为介质板的宽度;Rin为同轴馈电线的半径;Rout为导体贴片半径;R0为阵列天线各阵元中心到坐标原点的距离。

通过使用HFSS来仿真如图1所示的微带贴片阵列以获得该天线阵列的主要性能,如图3所示。该阵列天线的两个谐振频率分别落在21 GHz和27 GHz,对应的回波损耗S11分别为-24.51 dB和-26.21 dB。电压驻波比VSWR都在1.5以下,说明阻抗匹配良好,阵列天线设计达到了要求。

2 仿真结果与分析

图4和图5分别为中心频率在21 GHz和27 GHz时,对于模态值l=0,l=±1,l=±2,l=±3的,8个阵元分别按0°,±45°,±90°,±135°相位延迟依次绕Z轴成同心圆分布,相应的电场辐射图的变化情况。当l=0时,电磁波的能量集中在Z轴,不具有涡旋相位波前,是平面波。当l=1时,在Z轴方向天线阵列产生了中空波束,呈涡旋状的能量围绕中空区域分布,此时的电磁波不再是平面波,而是产生了螺旋相位波前发生扭曲,这是由于两个相邻的阵元之间的相位存在45°的差异,当l=-1时,相邻的两个阵元的相位相差-45°,该天线阵列能产生顺时针的螺旋相位波前;当l=-1时,相邻的两个阵元之间的相位相差45°,该阵列天线能产生逆时针的螺旋相位波前。当l从±1升高到±3时,显然,电磁波束携有OAM的形式形成螺旋相位波前,电场辐射图的中央出现空域,具有中空波束的特点,电场辐射图中央的空域面积随着l的增加而增加。当l=±3时,涡旋电磁波波束的中心空域面积达到最大,其能量也是最发散的。中心频率为27 GHz时,涡旋电磁波的能量比21 GHz时更集中。实际上OAM波束中心空域的电场强度很小,中心轴(Z轴)的能量几乎为零,而且空域面积越大,说明电磁波的能量越不集中,OAM波束变得越发散。所以,当对OAM波束信号进行检测和接收时,应该把空域面积的变化纳入考量范围内。
图6和图7分别表示中心频率为21 GHz和27 GHz时,模态值l=0,1,2,3的OAM对应的方向角

=0°的E面方向、方向角

=90°的H面方向的天线增益变化图。根据经典电磁理论,涡旋电磁波相位结构不随波束传输距离的变化而变化,故从理论上而言,涡旋电磁波有着很好的旋转性和对称性,即当

=0°时,天线的方向性应该是对称的。通过对比图6(a)~图6(d)和图7(a)~图7(d),当OAM波束的模态值相同时,中心频率为21 GHz和27 GHz的电场增益图的大小变化大致相同,这说明该天线阵列产携带的OAM涡旋电磁波束能量的集中程度几乎一致;同时每个OAM模态值对应的电场增益方向图的对称性良好, 这就说明该天线阵列携带的OAM涡旋电磁波能量集中程度基本相同;而各个模态的电场增益方向图的对称性很好,这些都体现了OAM 波束具有旋转性和对称性[10-11],这就验证了理论。但是,随着模态值l的增加 ,显然,中心频率为21 GHz比27 GHz时该天线阵列所携带的OAM波束的螺旋相位波前结构效果更差,当l=3时,图4(a)~图4(d)和图5(a)~图5(d)的曲线变化充分体现了这一点。

3 结论

本文基于OAM涡旋电磁波理论并以矩形微带贴片天线为阵元,设计了一款可以同时在21 GHz和27 GHz产生OAM涡旋电磁波并且能正常工作的双频阵列天线。有效地拓展了天线带宽,通过改变阵元的馈电相位就可以改变产生OAM的模态值,有效地提高了频带利用率。并且微带天线具有体积小、结构简单、成本低和易于制作等优点,易于实用。迄今为止,尽管由阵列天线产生OAM涡旋电磁波的方法还停留在理论仿真阶段,但是,如何产生多模态值的OAM涡旋电磁波,如何设计高增益、多频段、超宽带的微带天线,如何检测OAM的模态值以及如何接收OAM涡旋电磁波信号等困难,对于OAM天线的研究具有光明的应用前景,依然值得今后不断探索和努力。

参考文献

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作者信息:

张玲玲

(浙江工业大学 信息学院,浙江 杭州310023)

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